KR20060026966A - 금속 부품의 유동 성형 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따르면, 소결 금속 부품을 유동 성형하는 방법이 제공된다. 제1 단계는 통상의 분말 금속 공정에 의해 원형 디스크(15, 16, 17)를 형성하는 것이다. 디스크(15, 16, 17)는 그 외경부의 일측에 플랜지가 마련되거나 마련되지 않는 도우넛형 부품일 수 있다. 그 후, 필요에 따라 디스크(15, 16, 17)에 구리를 함침시킬 수도 있고 상기 디스크를 그대로 사용할 수도 있다. 디스크(15, 16, 17)를 적절한 툴(20)에 유지되어 있는 스피너(T)에 배치하고, 디스크의 외경부에 홈을 스피닝한다. 스피닝은 마무리 가공용 롤러를 이용하여, 또는 마무리 가공용 롤러에 선행하는 예비 마무리 가공용 롤러를 통하여 실시될 수 있다. 이러한 공정은 높은 수준의 정확도를 갖는 부품을 제공할뿐만 아니라, 스피닝시에 삽입되는 가압체에 의해 전체 홈 구조에 있어서 그리고 표면층 상에서 분말 금속의 기공을 치밀화 및 제거한다.

Description

금속 부품의 유동 성형 방법{METHOD OF FLOW FORMING A METAL PART}

본 발명은 금속 부품, 즉 소결 금속 부품 또는 주조 금속 부품의 유동 성형 방법에 관한 것이다.

분말 금속 제조는 공지된 공정이다. 금속 분말의 미세 입자는 소정 형상으로 압축된 후 노(爐)에서 소결된다. 소결로 인하여 분말 입자의 각 표면에 있어서 분말 입자의 용융 및 용접이 야기되어 부품이 형성된다.

분말 금속 제조 공정은 2가지 단점을 내포하고 있다. 첫번째 문제점은, 모든 공극 및 기공을 제거하기 위해 분말 금속을 재료의 100% 밀도까지 압축하는 것이 (불가능하지 않다면) 매우 어렵다는 것이다. 공극은 부품의 강도를 감소시키고, 내부 부식을 야기할 수 있다. 이 문제에 대한 해결법은 구리, 수지, 또는 그 밖의 재료에 의한 공극의 함침 또는 침윤이다. 수지의 함침은 재료의 특성을 향상시키지 않고, 수지는 저온에서, 예컨대 도장 오븐에서 녹기 때문에, 수지 함침의 용례는 제한되어 있다. 구리 함침은 재료의 강도를 증대시키지만, 비용이 많이 들고, 보다 중요하게는 부품에 대한 치수의 변경을 야기하여, 치수의 정확도를 저하시킨다.

분말 금속 공정과 관련한 두번째 문제점은, 압축력에 수직한 수평 방향에 있 어서 분말의 압축 가능성이 매우 제한되어 있다는 점이다. 대부분의 분말 금속 작업은 중력을 사용하여 분말을 몰드 또는 다이에 충전한다. 압축 방향은 수직 방향이다. 이는 다중 리브형 풀리 홈과 같은 현재의 제품이 분말 금속/소결 공정에 의해 제조될 수 없지만, 스프로켓 톱니는 분말 금속/소결 공정을 사용하여 제조될 수 있다는 것을 의미한다.

분말 금속(PM)의 치밀화는 PM 기술 자체 만큼이나 오래 유지되어온 기술이다. 치밀화를 달성하기 위한 여러 방법이 공지되어 있다. 가장 일반적인 공정이 냉간 단조이다. 또한, 치밀화를 위한 열간 단조와 압연도 공지되어 있다.

또한, 스피닝(spinning)도 금속 성형 공정으로서 알려져 있다. 일반적으로, 스피닝은 공작물이 회전할 때, 통상 회전 가능한 툴, 즉 베어링 상에 설치되는 툴이 공작물을 성형하는 것으로 정의된다. 가장 일반적인 스피닝 공정은 시트 금속 블랭크를 판 형태로 유지하면서 그 형상을 변화시킨다. 이러한 스피닝 공정의 예로는 포트(pot) 또는 팬(pan)을 성형하는 것과, 홈 풀리를 스피닝하는 것과, 그리고 제트 엔진(성형하기 곤란한 티타늄 합금)의 전방 곡선 형상을 스피닝하는 것 등이 있다.

일반적으로, 스피닝은 다른 공정 보다 훨씬 더 용이하게 금속을 유동시킬 수 있는 능력을 갖고 있다. 부품이 회전할 때, 롤러는 금속을 가소성 상태에 이르게 하고, 금속을 유동시키며, 금속을 떠난다. 부품이 회전할 때, 재료의 모든 요소는 몇 번이고 거듭 가소성 유동이 된다. 따라서, 스피닝은 금속을 수천%, 즉 거의 제한 없이 유동시킬 수 있다.

스피닝에 의한 유동 성형은 스피닝의 경우와 동일한 방식으로 실시되지만, 대개 보다 큰 부하 및 압력 하에서 실시된다. 재료는 우선 가소성 상태에 이르게 되고, 이 시점에서 재료는 도토(陶土)와 같이 유동한다. 이러한 타입의 스피닝의 예로는 평평한 블랭크로부터 다중 홈형 풀리를 제조하는 것과, 평평한 블랭크로부터 허브를 스피닝하는 것, 그리고 평평한 블랭크로부터 기어를 스피닝하는 것 등이 있다.

한편, 가압 성형은 동일한 것을 행할 수 있지만, 단 복수 개의 스테이션, 아마도 수천개 이상의 스테이션을 사용하여 행할 수 있다. 스피닝은 소정 부품에 대하여 수천개의 스테이션(각각 사이클마다 부품을 점차적으로 형성함)을 필요로 하는 가압 성형과는 달리 단일 설비 상에서 금속을 유동시킬 수 있다.

자동차의 풀리는 통상적으로 당업계에 알려진 다수의 다양한 공정을 사용하여 시트 금속을 스피닝하는 것에 의해 제조된다. 그러나, 크랭크 샤프트 댐퍼 풀리의 경우에는, 이 풀리의 질량이 대개 스피닝된 시트 금속 풀리가 제공할 수 있는 질량보다 커야 한다. 크랭크 샤프트의 진동을 감쇄시키는 데 필요한 적정한 양의 관성을 제공하기 위하여 큰 질량이 필요하다.

통상적으로, 스피닝된 시트 금속 대신에 주철 풀리를 사용하여 질량을 크게 한다. 주철의 문제점은, 그 제조 공정으로 인해, 즉 주물사에서 주조되기 때문에, 바람직한 최종 형상 및 치수에 이르게 하도록 기계 가공할 필요가 있다는 점이다. 기계 가공은 시간 및 인건비를 증가시킬뿐만 아니라 폐기물을 발생시키는 비교적 비용이 많이 드는 작업이다. 또한, 다중 리브형 또는 그 밖의 타입의 풀리에 있어 서 기계 가공된 홈은, 절삭 헤드에 의해 야기되는 기계 가공 흔적(자국)이 존재하기 때문에, 스피닝된 부품보다 거칠다. 이는 벨트 수명의 감소로 이어진다.

또한, 기계 가공은 주조 시에 본래 존재하는 기공을 노출시킨다. 개방된 기공의 예리한 가장자리는 홈에서 주행하는 벨트에게 유해하다. 또한, 홈을 기계 가공하는 것에 의해 입자 구조가 절단되어, 전체 구조가 보다 약해진다.

관련 기술의 대표예로는 페르구손(Ferguson)에게 허여된 미국 특허 제3,874,049호가 있는데, 이 특허에는 소결된 예비 성형체를 냉간 성형하고, 이러한 냉간 성형 중에 이동 다이를 예비 성형체의 표면(지지면인 것이 바람직함)에 침투시키며 상기 표면을 따라 와이핑시킴으로써 예비 성행체의 표면에 전단력을 인가하는 것인 분말형 금속 부품 성형 방법이 개시되어 있다.

또한, 관련 기술의 대표예로는 호젯(Hodjat) 등에게 허여된 미국 특허 제5,947,853호(1999)가 있는데, 이 특허에는 원반형 시트 금속을 스피닝 롤 성형한 풀리로서, 일체형 허브를 구비하고 이 허브의 두께가 시트 금속의 두께보다 큰 것인 풀리가 개시되어 있다.

소결 금속 부품 또는 주조 금속 부품을 유동 성형하는 방법이 필요하다. 소결된 분말 금속 부품을 스피닝에 의해 치밀화하는 방법이 필요하다. 소결 금속 부품 또는 주조 금속 부품을 유동 성형하는 것에 의해, 크랭크 샤프트 댐퍼용의 저렴하며 정밀한 형상을 갖고 큰 관성을 갖는 풀리를 제조하는 방법이 필요하다. 본 발명이 이러한 요구를 충족시킨다.

본 발명의 주요 양태는 소결 금속 부품 또는 주조 금속 부품을 유동 성형하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 양태는 소결된 분말 금속 부품을 유동 성형에 의해 치밀화하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 양태는 소결 금속 부품 또는 주조 금속 부품을 유동 성형하는 것에 의해, 크랭크 샤프트 댐퍼용의 저렴하며 정밀한 형상을 갖고 큰 관성을 갖는 풀리를 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 그 밖의 양태는 후술하는 본 발명의 상세한 설명 및 첨부 도면을 통해 나타나거나 명백해질 것이다.

소결 금속 부품을 유동 성형하는 방법에 있어서, 제1 단계는 통상의 분말 금속 공정에 의해 원형 디스크를 형성하는 것이다. 디스크는 그 외경부의 일측에 플랜지가 마련되거나 마련되지 않는 도우넛형 부품일 수 있다. 그 후, 필요에 따라 상기 디스크에 구리를 함침시킬 수도 있고 상기 디스크를 그대로 사용할 수도 있다. 디스크를 적절한 툴에 유지되어 있는 스피너에 배치하고, 디스크의 외경부에 홈을 스피닝한다. 스피닝은 마무리 가공용 롤러를 이용하여, 또는 마무리 가공용 롤러에 선행하는 예비 마무리 가공용 롤러를 통하여 실시될 수 있다. 이러한 공정은 높은 수준의 정확도를 갖는 부품을 제공할뿐만 아니라, 스피닝시에 삽입되는 가압체에 의해 전체 홈 구조에 있어서 그리고 표면층 상에서 분말 금속의 기공을 치밀화 및 제거한다.

본원에 포함되어 본 명세서의 일부를 구성하는 첨부 도면은, 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.

도 1은 블랭크 및 롤러의 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 공정을 사용하여 제조된 다중 리브형 풀리의 단면도.

도 2a는 도 2에 도시된 다중 리브형 풀리의 상세도.

도 3은 통상의 스피닝 기계의 개략적인 단면도.

분말 금속법(PM)은 철함유 부품 및 비철 부품의 공지된 제조 방법이다. 우선, 기본 분말 또는 합금 분말을 혼합하고 다이에서 압축시킨다. 그 후, 그 결과로서 생성된 소정 형상의 것을 제어 분위기 노에서 소성 또는 가열하여, 입자를 야금학적으로 접합시킨다. PM은 대개 완성된 부품에서 시작 원재료의 97% 이상을 사용하는 폐기물 발생이 적은 금속 가공 공정이다. 그 결과, PM은 에너지 및 재료 절약 공정이다. PM은 부품을 최종 치수로 제조할 수 있지만, 대개 부품이 최종의 높은 정확도에 이르게 하기 위해 약간의 마무리 기계 가공을 필요로 한다.

본 발명에 따른 공정의 제1 단계는 통상의 분말 금속 공정에 의해 원형 디스크를 형성하는 것이다. 상기 디스크는 그 외경부의 일측에 플랜지가 마련되거나 마련되지 않는 도우넛 형상의 부품일 수 있다(도 1 참조). 플랜지를 블랭크의 외경부의 양측에 제조할 수 있지만, 이는 분말 금속에 있어서 다이에서의 캠 작동을 필요로 하는 보다 어려운 공정이다. 그 후, 필요에 따라 공지의 공정에 의해 디스 크에 구리를 함침시킬 수도 있고, 상기 디스크를 그대로 사용할 수도 있다.

본 발명에 따른 공정에서 사용 가능한 PM 재료의 조성 범위(%)의 예는 다음과 같다. 구리를 함침한 철 및 강철 뿐만 아니라 철-구리 및 동강과 관련하여 다양한 조성물 또는 혼합물이 당업계에 공지되어 있고, 본 발명에 따른 공정에 성공적으로 사용될 수 있다. 이들 조성물은 예로서 제공되는 것이고, 제한하려는 것은 아니다.

재료 유형 철% 구리% 탄소%

FC-0205-40 93.5 1.5 0.3

98.2 3.9 0.6

FX-1008-50 82.2 8.0 0.6

91.4 14.9 0.9

전술한 재료 유형 및 상기 공정에서 동등하게 유용한 그 밖의 재료 유형은 1997년판 금속 분말 산업 협회(MPIF) 표준 35에서 확인할 수 있다. 소결 재료가 충분한 가단성(可鍛性)이 있어 상기 개시된 스피닝 공정에 의해 유동 성형되는 한, 본 발명의 공정은 실질적으로 모든 PM 부품에 적용될 수 있다.

분말 금속은 분말 압축 프레스의 툴에 도입되고, 바람직한 링 형상에서 소정의 젖음 강도로 압축된다. 압력 톤수는 링의 크기(직경 및 두께)에 의존하고, 또한 부품의 치밀화에 소정 범위로 영향을 미친다. 그 후, 압축된 링은 산화를 방지하기 위한 불활성 분위기를 갖고 온도가 약 1120 내지 1150 ℃인 컨베이어 타입의 소결로에 도입된다. 이 소결로는 대개 3개의 영역, 즉 예열 영역, 균열(均熱) 영 역 및 냉각 영역을 포함한다. 약 45 내지 60분 이후에, 소결된 부품이 노에서 나온다.

소결 공정에 있어서, 분말 입자는 표면에서 용융하고[대개 스웨팅(sweating)이라 함], 그 결과 서로에 대해 영구적으로 접착되어 견고한 부품을 형성한다. 그러나, 입자의 기하학적 구조, 형상 및 크기로 인해, 100%의 치밀화를 달성하는 것은 불가능하다. 통상의 PM 부품은 고체 금속 부품 밀도의 약 85% 내지 92%의 범위 안에 있는 밀도를 갖는다. 나머지 15% 내지 8%는 PM 부품의 도처에 분산된 기공으로 이루어진다. 보다 높은 치밀화는 소결 이후의 기계적 작업에 의해서만 달성된다. 기계적 작업은 대개 프레스에서의 냉간 단조에 의해 완수된다. 또한, 열간 단조, 압연 및 그 밖의 공정에 의해 완수되는 기계적 작업도, 일부 경우, 또는 본 발명의 경우에서 유동 성형에 사용된다.

FC-0205-40 재료의 경우, 일단 소결되면 부품은 스피닝 기계로 갈 준비가 된다. FX-1008-50 재료의 경우, 부품은 우선 다른 유사한 로를 통과함으로써 구리 함침되는데, 이 때 당업계에 공지된 공정을 이용하여 구리 한 조각을 로 위에 놓는다. 구리 조각은 녹고, 모세관 현상을 통해 PM 부품의 전반에 흡수된다.

함침된 소결 부품이나 함침되지 않은 소결 부품은 스피너로 이동된다. 마무리 품질에 따라, 표면 마무리를 향상시키고 임의의 버(burr)를 제거하기 위한 텀플링(tumbling) 작동이 스피닝 이전에 수행될 수 있다. 전술한 압력 및 온도는 단지 예로서 제공된 것이며, PM 부품을 제조하는 데 사용될 수 있는 공지의 압력 및 온도 범위를 제한하려는 것이 아니다.

도 1은 블랭크 및 롤러의 사시도이다. 본 발명에 따른 공정의 다음 단계에 있어서, 소결된 PM 디스크(10)는 홈(11) 또는 당업계에 공지된 그 밖의 프로파일(예컨대, 톱니 등)(도 3 참조)을 형성하기 위해, 당업계에 공지된 스피닝 기계의 회전 맨드럴(mandrel)에 설치된다. 스피닝 기계에서, 부품은 구동측 또는 주축대 측에 있는 툴에 설치된다. 부품은 그 내경부(ID)가 상기 툴에 위치한다. 주축대의 툴은 부품(10)의 하부측을 유지한다. 장비의 상부측, 즉 심압대(T)는 적어도 약 40 톤의 압력으로 하강하여 부품의 상부측에 클램핑된다. 주축대(H)와 심압대(T)는 대부분의 경우에 400 내지 900 rpm으로 회전(R)한다. 그 후, 황삭 롤러(20)가 측방으로 부품에 접근하고(+D), 부품(10)을 준(準) 마무리 홈 형상으로 유동 성형한다. 요구되는 최소의 롤러 미끄럼힘은 약 12 톤이지만, 이 미끄럼힘은 유동 성형되는 부분의 바람직한 깊이에 기초하여 달라질 수 있다. 상기 미끄럼힘은 풀리의 홈 개수와 홈의 타입에 의존하고, 그에 따라 변화된다. 일단 황삭 폼(rough form)이 스피닝 가공되어 디스크(10)가 되면, 황삭 롤러는 물러나고(-D), 마무리 롤러가 황삭 롤러와 동일한 경로로 이동하여 풀리 홈(11)의 유동 성형을 마무리한다. 그 후, 마무리 롤러가 물러나고, 심압대(T)가 상승하며, 완성된 풀리를 꺼낸다.

홈과 홈 아래 부분(유동 성형의 영향을 받는 영역)에서의 부품 밀도는 고체 재료 밀도의 100%에 근접하는데, 분말은 상기 고체 재료로부터 만들어진 것이다. 내경부의 치밀화가 필요한 경우, 내경부는 평평하게 또는 임의의 바람직한 형상을 갖도록 내측에서 스피닝 가공된다. 내측 스피닝 및 외측 스피닝은 공지되어 있으 며, 동시적으로 또는 별개의 작동으로 수행될 수 있다.

치밀화를 고려하여 완성 부품의 실제 체적을 계산함으로써, PM 링의 예비 스피닝이 계획된다. 이는 PM 링의 체적 및 직경이 고체 부품을 스피닝한 경우보다 다소 커서, PM 부품으로부터의 기공 제거에 의해 야기되는 체적 변화가 밝혀진다는 것을 의미한다.

함침된 PM 부품도 전술한 바와 같이 사용될 수 있지만, 함침은 많은 비용이 들며 함침되지 않은 재료를 치밀화하는 것이 바람직하다. 또한, 함침은 부품에 있어서 그 치수 정확도의 저하를 초래한다. 따라서, 구리 함침된 부품을 사용하는 경우에는, 치밀화의 경우보다 크기 교정을 위한 그리고 풀리의 형성을 위한 스피닝이 더 필요하다.

앞서 언급된 스피닝 단계는 예시적인 것이고, 본 발명의 공정에 사용될 수 있는 또는 본 발명의 부품을 마무리하는 데 사용될 수 있는 단계의 수 및 타입을 제한하려는 것이 아니다. 본원에 기술된 스피닝 공정은 열의 인가 없이 충분한 압력을 인가하는 것을 포함한다. 스피닝 동안에는 롤러와 부품의 상호 작용에 의해 부품의 온도가 약간 상승할 것이지만, 이는 공정에 부수적으로 일어나는 것으로 거의 또는 전혀 영향을 미치지 못하는 것인데, 즉 이는 유동 성형에 의해 발생되는 열을 제거하기 위해 상기 스피닝 작동에 있어서 다량의 냉각제/윤활제가 사용되기 때문이다. 이러한 열 제거는 과열에 의한 성형 롤러의 손상을 회피하는 데 필요하다. 성형 롤러와 부품 사이에 있어서 과도한 마찰 발생을 방지하기 위해, 냉각제/윤활제의 윤활성이 요구된다.

개시된 공정은 정확도가 향상된 다중 리브형 풀리를 제조할 뿐만 아니라, 스피닝에 의해 실현되는 가압을 통해 분말 금속의 표면층에서 기공을 치밀화 및 제거한다(도 2a 참조). 그 결과물은 크랭크 샤프트 댐퍼용의 저렴하며 정밀한 형상을 갖고 바람직한 관성을 갖는 고정밀 다중 리브형 풀리 또는 그 밖의 부품이다.

풀리의 관성은 풀리의 질량에 풀리의 반경의 제곱을 곱하여 계산한다. 풀리의 두께, 구체적으로 각 홈의 바닥으로부터 반경 방향으로 부품의 내경부까지 측정한 금속의 두께가 제한 인자이다. SAE 및 그 밖의 대부분의 국제 표준은 1.14 mm의 최소 두께를 요구한다. 대부분의 풀리는 1.5 mm의 두께를 갖도록 제조된다. 기존의 공지된 공정에 기초해 보면, 그리고 적당한 작동 비용을 고려하면, 예컨대 수집 공정 및 스피닝 공정에 다수의 롤을 추가하지 않으면, 홈의 바닥에 있어서 재료의 두께 한께는 최대 4.0 mm이다. 그 결과, 홈의 직경 및 개수에 기초하여 서로 다른 풀리는 서로 다른 관성 값을 갖게 된다.

이와는 달리, PM 부품 및 주조 부품은 홈의 바닥에 있어서의 두께를 어느 정도 참작하여 제조될 수 있지만, 실질적으로 상기 두께의 제한은 없다. 상기 두께를 참작한다는 것은, 분말의 측면 또는 측방 압축이 실제로는 그리고 재정상 불가능하므로 다중 리브형 풀리의 홈이 PM 공정에서 제조될 수 없다는 것을 의미한다. 따라서, 고체 부품을 제조하고, 종래 기술에 의하여 상기 고체 부품에 홈을 절삭하거나, 본원의 공정에 기술된 바와 같이 상기 고체 부품에 홈을 유동 성형할 필요가 있다.

종래의 댐퍼는 스피닝 가공된 시트 금속 풀리로 제조될 수 있었지만, 이 경 우 대부분 시트 금속 풀리에서 제공하는 것보다 훨씬 더 큰 관성을 필요로 한다. 대부분의 자동차 댐퍼의 경우 홈의 바닥에서의 두께가 5 내지 30 mm일 것을 요구한다. 이러한 두께의 범위를 현재의 시트 금속 공정으로 달성하는 것은 불가능하다.

상기 설명은 부분적으로 크랭크 샤프트 댐퍼에 관하여 기술되어 있다. 그러나, 이는 단지 예이고 본 발명의 공정이 적용될 수 있는 제품을 제한하려는 것은 아니다. 크랭크 샤프트 댐퍼는 실린더의 연소에 의해 엔진 크랭크 샤프트에서 발생되는 진동을 감쇄시킨다. 크랭크 샤프트 댐퍼는 대개 허브와 외부 풀리, 그리고 이들 사이에 배치되는 엘라스토머 부재를 포함한다.

비틀림 진동의 강도는 대개 1 내지 2 등급이다. 이러한 진동은 과도하며, 피로에 의한 크랭크 샤프트의 고장을 초래할 수 있고 소음을 발생시킬 수 있다. 크랭크 샤프트 댐퍼는 이러한 진동을 2가지 것에 의해 감쇄시키는데, 상기 2가지 것이란 대개 진동을 흡수하는 엘라스토머 부재 형태인 스프링과, 대개 풀리에 통합되는 관성 질량이다. 관성 질량은 진동에 대항하며, 엘라스토머의 도움을 받아 진동의 크기를 감소시킨다. 유동 성형된 시트 금속 댐퍼의 경우에 예시적인 관성의 값은 대개 약 4,000 내지 10,000 kg·㎟이다. 한편, 본 발명에 따른 공정을 사용하여 유동 성형된 주조 풀리 및 PM 풀리의 경우에 관성의 값은 약 8,000 내지 30,000 kg·㎟이다. 이는 스피닝 가공된 시트 금속 풀리에 비하여 약 100 내지 300% 증대된다는 것을 나타낸다. 이러한 증대는 예시적인 것이고, 본 발명의 공정을 이용하여 달성될 수 있는 관성의 증대를 제한하려는 것은 아니다.

본 발명의 공정은 정밀하고 저렴한 분말 금속 공정을 이용하고, 이러한 분말 금속 공정과 함께 정밀하고 정확한 스피닝을 이용하며, 이와 동시에 분말 금속 부품의 소정 부분만을 치밀화한다. 치밀화는 부품의 강도를 증대시키고, 내부 부식의 가능성을 감소시킨다.

또한, 전술한 예비 성형된 분말 금속 부품의 스피닝 및 유동 성형 공정과 동일한 공정이 예비 성형된 주조품의 스피닝 및 유동 성형 공정에 적용되어 유사한 장점의 대부분을 제공할 수 있다. 주조품의 유일한 요건은, 유동 성형 공정 동안에 금속 부품의 유동을 허용할 수 있을 정도로 충분한 가단성을 갖는 재료를 포함하는 것이다. 주조 재료는 강철, 알루미늄, 스테인레스강, 티타늄, 마그네슘 및 이들의 합금을 포함할 수 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.

PM 부품과 주조 부품의 경우 모두, 홈의 유동 성형에 의해 매끄러운 표면이 형성되며, 이러한 매끄러운 표면은 벨트 수명의 증대를 돕는다. 이와는 달리, 기계 가공된 홈은 스피닝 가공되어 형성된 홈보다 훨씬 빠르게 벨트를 마모시키는 데, 이는 벨트가 홈의 표면에 의해 손상을 받기 때문이다.

도 2는 본 발명에 따른 공정을 이용하여 제조된 다중 리브형 풀리의 단면도이다. 리브 영역에 있어서 향상된 입자 구조가 도 2a에 도시되어 있다. 유동 성형 공정에 의하여 몸체(10)의 외부에 있어서의 입자 구조 부분(12)이 리브 표면(13)에 실질적으로 평행하게 배향된다. 리브를 비롯한 외측 부분(15)에 있어서 재료의 밀도는 실질적으로 증대되는 동시에 실질적으로 기공이 제거된다. 리브 및 외측 부분(15)의 밀도는 금속 밀도의 100%에 근접한다. 따라서, 외측 부분(15)의 밀도는 유동 성형을 받지 않는 PM 몸체 부분(17)의 밀도에 비해 8 내지 15% 증대된 다.

유동 성형은, 기계 가공 중에 발생되는 강철 입자의 절단에 비하면 강철 입자의 성형을 통해 부품의 강도를 향상시킨다. 또한, 유동 성형은 재료의 기계적 특성을 50% 이상 향상시키는 가공 경화(work hardening)을 일으킨다. 항복 강도보다는 크고 극한 인장 강도보다는 낮은 성형 힘(가소성 영역)에 의하여 유기적인 금속 결정 어레이는 파괴되고, 전위(dislocation)가 일어난다. 금속의 원자는 전위 영역에서 보다 높은 여기 에너지 레벨을 갖는다. 원자의 여기는 재료에 있어서, 예컨대 부품의 강도 증대 등과 같은 기계적 특성의 향상으로서 반영된다. 소결 금속의 유동이 가소성 상태에서 발생할 때, PM 공정 또는 주조에 의해 형성되어 소결 금속에 존재하는 모든 기공은 폐쇄되고 실제로 사라진다. 또한, 항복 강도, 극한 인장 강도 및 경도 등과 같은 기계적 특성은 본 발명의 공정에 의해 재료의 강도가 향상됨을 나타낸다.

디스크의 내경부 표면(14)(도 2 참조)은 내측 스피닝 작동(시트 금속 스피닝 분야에 공지되어 있음)에서 스피닝 가공되어, 내측 부분(16)의 재료가 치밀화되고 내측 부분(16)의 치수 정확도가 향상된다. 예컨대, 댐퍼의 엘라스토머 부재(도시 생략)와 기계적으로 맞물려 이를 수용하기 위한 곡선 형상 등과 같은 임의의 바람직한 프로파일이 표면(14)에 스피닝 가공될 수 있다. 이렇게 유동화된 내경부 표면(14)이 예컨대 베어링을 수용할 수 있다. 외측 부분(15)과 마찬가지로, 유동 성형된 부분(16)의 밀도는 유동 성형을 받지 않는 PM 몸체 부분(17)의 밀도에 비해 8 내지 15% 증대된다.

외측 부분(15)과 내측 부분(16)의 깊이 또는 두께는 스피닝 동안에 사용되는 성형 압력의 함수이며, 특정 구조의 요구에 맞게 조정될 수 있다. 본원의 특정 기준은 소정 "표면"에 대한 것이지만, 스피닝이 몸체에 미치는 영향은 스피닝 유동 성형 공정 동안에 사용되는 압력체에 의존하여 몸체 내의 소정 깊이까지 이르게 되어, 유동 성형을 받지 않는 부분과는 달리 스피닝된 부분에 있어서 큰 밀도를 갖는 체적이 형성되는 것으로 이해되어야 한다.

유동 성형은 치수 공차를 보다 높고 정확한 레벨로 한정하는 동시에, 부품의 모든 부분 또는 선택된 부분을 치밀화하면서, 마무리 기계 가공을 전혀 필요로 하지 않는다. 내측 표면 스피닝과 외측 표면 스피닝은 모두 필요에 따라 하나의 스피닝 기계에서 동시적으로 수행될 수 있다. 물론, 임의의 바람직한 표면의 마무리 기계 가공은 필요에 따라 수행될 수도 있다.

전술한 설명은 단지 예시를 목적으로 이루어진 것이며, 첨부된 청구 범위에 의해 결정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아니다. 또한, 본 발명의 소정 형태가 본원에 기술되어 있지만, 본원에 기술된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 부품의 구조 및 관계를 변경할 수 있다는 것이 당업자에게 명백할 것이다.

Claims (21)

1. 분말 금속 혼합물을 마련하는 단계와;

   분말 금속 혼합물을 다이에 넣는 단계와;

   분말 금속 혼합물을 압축하여 소정 부품을 형성하는 단계와;

   부품을 다이로부터 꺼내는 단계와;

   열을 가하여 부품을 소결하는 단계와;

   회전 맨드럴에 의해 부품을 스피닝하는 단계와;

   부품을 스피닝하면서 부품과 롤러를 맞물리게 하는 단계; 그리고

   롤러에 의해 부품을 유동 성형하는 단계

   를 포함하는 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 부품을 유동 성형하는 단계는 부품에 다중 리브형 표면을 유동 성형하는 것을 포함하는 것인 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 부품의 내경부 표면을 유동 성형하는 단계를 더 포함하는 것인 제조 방법.
4. 소정 밀도를 갖는 분말 금속 몸체와;

   스피닝에 의하여 상기 몸체의 밀도보다 큰 밀도를 갖게 되는 상기 몸체의 외 측 부분

   을 포함하는 부품.
5. 제4항에 있어서, 상기 외측 부분은 다중 리브형 프로파일을 더 갖는 것인 부품.
6. 제4항에 있어서, 스피닝에 의하여 상기 몸체의 밀도보다 큰 밀도를 갖게 되는 상기 몸체의 내측 부분을 더 포함하는 것인 부품.
7. 제4항에 있어서, 상기 몸체의 외측 부분의 밀도는 상기 몸체의 밀도보다 약 8 내지 15% 더 큰 것인 부품.
8. 제6항에 있어서, 상기 몸체의 내측 부분의 밀도는 상기 몸체의 밀도보다 약 8 내지 15% 더 큰 것인 부품.
9. 제5항에 있어서, 입자 구조 부분이 리브 표면에 실질적으로 평행한 것인 부품.
10. 소정 밀도를 갖는 분말 금속 몸체와;

    단지 압력의 인가에 의하여 상기 몸체의 밀도보다 큰 밀도를 갖게 되는 상기 몸체의 외측 부분

    을 포함하는 부품.
11. 제10항에 있어서, 상기 외측 부분은 다중 리브형 프로파일을 더 갖는 것인 부품.
12. 제10항에 있어서, 단지 상기 외측 부분에 대한 압력의 인가에 의하여 상기 몸체의 밀도보다 큰 밀도를 갖게 되는 상기 몸체의 내측 부분을 더 포함하는 것인 부품.
13. 제10항에 있어서, 상기 몸체의 외측 부분의 밀도는 상기 몸체의 밀도보다 약 5 내지 10% 더 큰 것인 부품.
14. 제12항에 있어서, 상기 몸체의 내측 부분의 밀도는 상기 몸체의 밀도보다 약 8 내지 15% 더 큰 것인 부품.
15. 제11항에 있어서, 입자 구조 부분이 리브 표면에 실질적으로 평행한 것인 부품.
16. 소정 몸체 밀도를 갖는 분말 금속 몸체와;

    단지 상기 몸체 부분에 대한 압력의 인가에 의하여 상기 몸체의 밀도보다 큰 밀도를 갖게 되는 제1 몸체 부분

    을 포함하는 부품.
17. 제16항에 있어서, 상기 제1 몸체 부분은 다중 리브형 프로파일을 더 포함하는 것인 부품.
18. 제16항에 있어서, 단지 압력의 인가에 의하여 상기 몸체의 밀도보다 큰 밀도를 갖게 되는 제2 몸체 부분을 더 포함하는 것인 부품.
19. 제16항에 있어서, 상기 제1 몸체 부분의 밀도는 상기 몸체 밀도보다 약 5 내지 10% 더 큰 것인 부품.
20. 제18항에 있어서, 상기 제2 몸체 부분의 밀도는 상기 몸체 밀도보다 약 8 내지 15% 더 큰 것인 부품.
21. 제17항에 있어서, 제1 몸체 부분의 입자 구조 배향은 리브 표면에 실질적으로 평행한 것인 부품.

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